올해 노벨물리학상은 복잡계 연구에 기여한 과학자 3인

마나베 슈쿠로(왼쪽부터), 클라우스 하셀만, 조르지오 파리시 등 세 사람이 2021년 노벨물리학상 수상자로 선정됐다. [사진 노벨위원회]

올해 노벨물리학상은 복잡계(complex physical systems) 연구에 기여한 세 사람의 과학자에게 돌아갔다. 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 5일(현지시간) 올해 노벨물리학상 수상자로 슈쿠로 마나베(미국), 클라우스하셀만(독일), 조르지오 패리시(이탈리아) 등 3인을 선정했다.

슈쿠로 마나베 미국 프린스턴대 교수와 하셀만 독일 막스플랑크기상연구소 창립자는 물리학을 활용해 지구온난화를 예측한 공로를 평가받았다. 지구의 기후를 물리적으로 모델링하고, 실시간 달라지는 기후를 정량화하며 안정적으로 지구온난화를 예측할 수 있었다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회가 5일(현지시간) 올해 노벨 물리학상 수상자를 발표하고 있다. [사진 노벨위원회]

마나베 교수는 수학적 이론과 대기의 물리적 특성만으로 대기 중 이산화탄소가 증가하면 지구 표면 온도가 얼마나 상승하는지 추정했다. 손석우 서울대 지구환경시스템공학부 교수는 “마나베 교수는 기후 모델을 사실상 최초로 만든 물리학자”라며 “1960년대에 기후를 모델링해 추정한 수치(지표 온도)가 최근 거의 유사한 값을 보여주고 있다”고 설명했다.

이후 10여 년 후 하셀만 창립자는 마나베 교수의 이론을 해양 분야에 접목했다. 기후변화를 추정할 때 대기의 온도만큼이나 해양 온도가 중요하다. 대기 중 이산화탄소의 3분의 2를 해양이 흡수해서다.

특히 하셀만 창립자는 날씨가 혼란스럽더라도 기후변화 모델링이 신뢰할 수 있다는 점을 밝혔다. 또한 기후변화에 상당한 영향을 미치는 신호를 식별하는 방법도 개발했다. 덕분에 인간의 이산화탄소 배출이 대기의 온도 상승에 영향을 미친다는 사실을 증명했다. 마나베 교수와 하셀만 창립자는 노벨물리학상 상금(250만 크로나·3억3000만원)의 절반을 각각 나눠 받는다(250만 크로나·3억2750만원).

2021년 노벨물리학상 수상자. 왼쪽부터 마나베 슈쿠로(미국), 클라우스 하셀만(독일), 조르지오 파리시(이탈리아). [사진 노벨위원회 트위터]

두 사람과 함께 노벨물리학상을 받은 조르지오 패리시 이탈리아 로마사피엔자대 교수도 수학적인 모델링으로 복잡계를 연구했다는 점은 같다.

다만 패리시 교수는 1980년경 무질서하고 복잡한 재료에서 숨겨진 패턴을 발견했다. 구체적으로 ‘스핀글라스(spin glass)’라는 시스템을 연구했다. 뜨거운 액체 유리를 차가운 물에 갑자기 집어넣어 온도를 낮추면 무질서(disorder)한 유리 분자의 복잡계가 만들어진다.

왜 이렇게 복잡한 형태가 만들어지는지는 여전히 미스터리다. 다만 패리시 교수는 유리 분자가 두 가지 상태만으로 존재하면서 상호 작용한다고 가정했다. 박형규 고등과학원 물리학부 교수는 “특정한 수학적 방법(레플리카메소드·replica method)를 활용해 수학적으로 문제를 풀어냈다”고 설명했다. 패리시 교수는 상금의 절반(500만 크로나·약 6억8000만원)을 받는다.

토르스한스 한손 노벨물리학위원회장은 “마나베·하셀만 수상자의 연구는 기후에 대한 인류의 지식이 철저한 분석에 기반한 확고한 과학에 바탕을 둔다는 점을 보여준다”며 “패리시 교수의 연구는 물리학뿐 아니라 수학·생물학·신경과학·기계학습 등 다양한 영역에서 무작위적인 현상을 설명하는 것을 가능하게 했다”고 평가했다.

문희철기자reporter@joongang.co.kr